金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)研究初探

李良縣，李 寧

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

金沙江發(fā)源于青藏高原唐古拉山脈的沱沱河，沱沱河與當(dāng)曲匯合后稱通天河，通天河流至玉樹(shù)附近與巴塘河匯合后始稱金沙江。金沙江流經(jīng)青、藏、川、滇四省(區(qū))，至宜賓納岷江后稱為長(zhǎng)江，宜賓至宜昌河段又稱川江。金沙江流域面積47.32萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江流域面積的26%。多年平均流量4 920 m3/s，多年平均徑流量1 550億m3，占長(zhǎng)江宜昌站來(lái)水量的1/3。金沙江全長(zhǎng)3 479 km，天然落差5 100 m，水能資源豐富，是全國(guó)最大的水電能源基地，水能資源蘊(yùn)藏量達(dá)1.124億kW，約占全國(guó)的16.7%[1]。

金沙江下游河段(雅礱江河口至宜賓)水能資源的富集程度最高，河段長(zhǎng)782 km，落差729 m，整個(gè)河段規(guī)劃分四級(jí)開(kāi)發(fā)。金沙江下游規(guī)劃電站均具有較大庫(kù)容，并且調(diào)節(jié)庫(kù)容大，調(diào)節(jié)性能強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)流域內(nèi)的多年調(diào)節(jié)。根據(jù)金沙江下游(四川側(cè))最新的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源普查成果，流域內(nèi)除具有豐富的水能資源外，還具有規(guī)模巨大的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源。本文在分析流域內(nèi)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的基礎(chǔ)上，著重研究風(fēng)、光、水三種清潔能源的出力特性，并結(jié)合出力特點(diǎn)明確提出統(tǒng)籌協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)風(fēng)光水能源的總體思路。

1 區(qū)域風(fēng)光水能儲(chǔ)量和分布

1.1 風(fēng) 能

受西南季風(fēng)、四川省地形及環(huán)流特點(diǎn)影響，金沙江下游(四川側(cè))覆蓋的涼山州、攀枝花為四川省風(fēng)能資源主要集中分布區(qū)域，屬于風(fēng)能資源相對(duì)較好的區(qū)域。根據(jù)流域內(nèi)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析成果，風(fēng)能資源主要集中在高海拔山地和高臺(tái)地，平均海拔超過(guò)3 000 m，平均風(fēng)速大多在6 m/s以上，風(fēng)能資源等級(jí)多為2級(jí)及以上(見(jiàn)圖1)[2]，具備較大開(kāi)發(fā)價(jià)值。根據(jù)風(fēng)資源模擬計(jì)算結(jié)果，金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)能資源儲(chǔ)量較為豐富，風(fēng)能技術(shù)可開(kāi)發(fā)量超過(guò)700萬(wàn)kW。

從年內(nèi)分布來(lái)看，金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)能資源主要集中在冬春季節(jié)，即每年11月到次年5月，基本是河流的枯水期；從日內(nèi)分布來(lái)看，風(fēng)能資源從12時(shí)、13時(shí)風(fēng)速開(kāi)始加大，至16時(shí)風(fēng)速最大，然后逐漸減小，至凌晨最小，與四川省電力系統(tǒng)日負(fù)荷高峰相匹配。

1.2 太陽(yáng)能

四川省太陽(yáng)能分布大致以龍門山脈、邛崍山脈和大涼山為界，東部較差，西部較好，全省太陽(yáng)能資源最豐富地區(qū)年總輻射量達(dá)6 000 MJ/m2以上，年日照時(shí)數(shù)為2 400～2 600 h[2]。根據(jù)四川省年太陽(yáng)總輻射量分布(見(jiàn)圖2)和流域內(nèi)太陽(yáng)能輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)，金沙江下游(四川側(cè))年太陽(yáng)總輻射量在5 500 MJ/m2左右，屬于全國(guó)太陽(yáng)能資源二類和三類地區(qū)，尤其是涼山州和攀枝花地區(qū)具備較大開(kāi)發(fā)價(jià)值，主要分布在仁和、鹽邊、會(huì)理、會(huì)東、昭覺(jué)等地區(qū)。根據(jù)太陽(yáng)能輻射量分布和太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)場(chǎng)址條件，區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)能技術(shù)可開(kāi)發(fā)量超過(guò)500萬(wàn)kW。

1.3 水 能

金沙江下游從上至下依次為烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四座梯級(jí)水電站，總裝機(jī)規(guī)模約4 646萬(wàn)kW，相當(dāng)于兩個(gè)三峽水電站。溪洛渡和向家壩水電站于2014年全部投運(yùn)，一舉成為中國(guó)第二、第三大水電站。金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃見(jiàn)圖3。

圖1 金沙江下游(四川側(cè))70 m高度年平均風(fēng)功率密度分布

圖2 金沙江下游(四川側(cè))年太陽(yáng)總輻射量分布(單位：MJ/m2)

圖3 金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃

2 區(qū)域風(fēng)光水能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

截至目前，金沙江下游規(guī)劃的四個(gè)梯級(jí)電站中，向家壩、溪洛渡水電站已投產(chǎn)，共計(jì)2 026萬(wàn)kW。烏東德和白鶴灘水電站已進(jìn)入施工階段，預(yù)計(jì)分別于2020年和2021投產(chǎn)發(fā)電。

金沙江下游(四川側(cè))已建、在建風(fēng)電項(xiàng)目共37個(gè)，總計(jì)規(guī)模242萬(wàn)kW，其中已建風(fēng)電項(xiàng)目15個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模74萬(wàn)kW；在建項(xiàng)目22個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模168萬(wàn)kW。區(qū)域內(nèi)已投產(chǎn)光伏項(xiàng)目2個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模8萬(wàn)kW；在建項(xiàng)目10個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模33萬(wàn)kW。受制于項(xiàng)目送出條件和省內(nèi)消納市場(chǎng)因素的影響，流域內(nèi)風(fēng)光項(xiàng)目還未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 區(qū)域風(fēng)光水能出力特性

3.1 年內(nèi)出力特性

金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)速年內(nèi)分布具有明顯的季節(jié)性差異，風(fēng)速的季節(jié)變化直接造成了風(fēng)電場(chǎng)出力的季節(jié)性差異。從風(fēng)電場(chǎng)年內(nèi)出力曲線可以看出，風(fēng)電場(chǎng)11月～次年4月出力較大，6～10月出力較小，如圖4(a)所示。簡(jiǎn)言之，區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)出力呈冬春季大、夏秋季小的顯著特點(diǎn)[3]。

金沙江下游(四川側(cè))太陽(yáng)能資源年內(nèi)分布存在季節(jié)性差異，與出力密切相關(guān)的溫度也有較明顯的季節(jié)差異，因此光伏電站出力也存在一定的季節(jié)性差異。從光伏電站年內(nèi)出力曲線可以看出，11月～次年4月出力較大，6～10月出力較小，如圖4(b)所示。與風(fēng)電類似，區(qū)域光伏電站同樣具有冬春季大、夏秋季小的顯著特點(diǎn)。

金沙江下游徑流量在年內(nèi)分布同樣存在季節(jié)性差異，水電站出力基本隨徑流的變化而變化，但水庫(kù)電站建成后，由于對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用會(huì)一定程度改變水電站的出力特性。從水電站年內(nèi)出力曲線可以看出，11月～次年4月出力較小，6～10月出力較大，如圖4(c)所示。與風(fēng)光電站出力恰好相反，區(qū)域水電出力呈冬春季小、夏秋季大的顯著特點(diǎn)。

3.2 月內(nèi)出力特性

根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求重點(diǎn)關(guān)注月份，重點(diǎn)選取2月、8月及12月進(jìn)行月內(nèi)出力特性分析。由于金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)速在日間變化的不確定性和間歇性，風(fēng)電場(chǎng)月內(nèi)出力變化具有明顯的波動(dòng)性。簡(jiǎn)言之，風(fēng)電場(chǎng)在小風(fēng)季節(jié)，月內(nèi)出力較為穩(wěn)定，相鄰兩日出力變化幅度較小；大風(fēng)季節(jié)日出力變化幅度較大，如圖5(a)所示。

光伏電站出力受太陽(yáng)能輻射影響較大，而太陽(yáng)能輻射受天氣影響也具有不確定性。金沙江下游在枯期(2月、12月)降水較少、天氣以晴為主，光伏電站月內(nèi)出力較為穩(wěn)定，但8月降水增加，陰雨天氣使得光伏電站出力發(fā)生突變，相鄰兩日變化幅度較大，如圖5(b)所示。

水電站出力受徑流和水庫(kù)調(diào)度的影響，在2月、8月、12月具有較強(qiáng)的季節(jié)性特征。枯期，水電站出力系數(shù)小，但區(qū)域水電站具有較好調(diào)節(jié)性能，出力系數(shù)月內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定；汛期，水電站出力系數(shù)大，由于水電站具有較好調(diào)節(jié)性能，出力系數(shù)月內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，如圖5(c)所示。因此，無(wú)論枯期和汛期，水電站均能夠利用調(diào)節(jié)庫(kù)容實(shí)現(xiàn)風(fēng)光不穩(wěn)定電源的月內(nèi)調(diào)節(jié)，減少風(fēng)光月內(nèi)不穩(wěn)定出力對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

圖4 區(qū)域風(fēng)光水電站年內(nèi)出力系數(shù)變化曲線

圖5 區(qū)域風(fēng)光水電站月內(nèi)出力系數(shù)變化曲線

3.3 日內(nèi)出力特性

金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)速日內(nèi)分布具有顯著峰谷特征。盡管風(fēng)速具有較強(qiáng)的不確定性和間歇性，但風(fēng)速在日內(nèi)具有較好的規(guī)律性，風(fēng)電場(chǎng)出力大體呈現(xiàn)出“一峰一谷”的特征。峰時(shí)一般出現(xiàn)在14:00～21:00，低谷一般出現(xiàn)在23:00～次日9:00，如圖6(a)所示。簡(jiǎn)言之，下午和晚上出力較大，上午較小，與負(fù)荷曲線具有一定的匹配性。

光伏電站出力受太陽(yáng)能輻射影響，日內(nèi)出力具有明顯的峰值特征。盡管太陽(yáng)能輻射具有較強(qiáng)的不確定性和波動(dòng)性，但輻射在日內(nèi)分布具有較好的規(guī)律性，日內(nèi)基本呈正態(tài)分布。因此，光伏電站出力大體呈現(xiàn)出正態(tài)分布的特征，峰時(shí)一般出現(xiàn)在13：00～15:00，20:00～次日6:00出力為0，晝夜變化較大，如圖6(b)所示。

水電站出力受徑流和水庫(kù)調(diào)蓄的影響，在日內(nèi)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性。根據(jù)水電站在電力系統(tǒng)的作用，水電站承擔(dān)電網(wǎng)系統(tǒng)基荷時(shí)，其出力較為穩(wěn)定；當(dāng)需要增加負(fù)荷時(shí)，水電站能夠迅速開(kāi)啟，承擔(dān)系統(tǒng)峰荷，其出力能迅速增加，一般發(fā)生在負(fù)荷高峰時(shí)段(見(jiàn)圖6)。

圖6 區(qū)域風(fēng)光水電站日內(nèi)出力系數(shù)變化曲線

4 區(qū)域風(fēng)光水能互補(bǔ)開(kāi)發(fā)

4.1 風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)可行性

研究金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)速、太陽(yáng)能輻射、徑流量多年變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流域風(fēng)速相比往年屬于大風(fēng)年時(shí)，太陽(yáng)能輻射也往往較強(qiáng)，降水較少，年徑流量在歷史記錄屬于枯水年；當(dāng)年徑流量屬于豐水年時(shí)，降水較多，風(fēng)速和太陽(yáng)能輻射均較弱。風(fēng)光和水能資源在年際間具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，并且這種互補(bǔ)性具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

根據(jù)金沙江下游(西昌側(cè))風(fēng)光水電站的出力特點(diǎn)，風(fēng)電、光伏和水電的年內(nèi)出力均呈現(xiàn)出明顯的“一峰一谷”形式，風(fēng)電和光伏的“峰”“谷”恰好與水電的“谷”“峰”在時(shí)間上對(duì)應(yīng)，風(fēng)光水之間在年內(nèi)形成較為統(tǒng)一的互補(bǔ)關(guān)系(見(jiàn)圖7)。

金沙江下游(西昌側(cè))風(fēng)電和光伏電站出力具有不穩(wěn)定性和間歇性，月、日內(nèi)波動(dòng)性較強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻造成一定影響。而金沙江下游干流已建和在建水電站具有較大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)(見(jiàn)圖8)。通過(guò)利用水電站的調(diào)節(jié)性能，合理配置風(fēng)光資源規(guī)模，按照就近原則將風(fēng)電、光伏接入水電站聯(lián)合運(yùn)行，打捆送入電網(wǎng)，在確保水電不新增棄水的情況下，既消除風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的不穩(wěn)定性，又更好地滿足電力負(fù)荷要求。因此，在區(qū)域內(nèi)開(kāi)展風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)具有充分的科學(xué)依據(jù)，可行性極強(qiáng)[4]。

4.2 風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)必要性

(1)區(qū)域風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)，把四川建設(shè)成為全國(guó)最重要的優(yōu)質(zhì)清潔能源基地。近年來(lái)，四川省風(fēng)能和太陽(yáng)能資源普查工作的不斷深入，已基本確定金沙江下游(四川側(cè))除具有豐富的水能資源外，還具有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源。目前，水電作為四川省能源行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展快速、規(guī)模較大，使四川省具備了成為國(guó)家優(yōu)質(zhì)清潔能源基地的基本條件，其中金沙江下游(四川側(cè))的水電建設(shè)有力支撐了四川省成為國(guó)家優(yōu)質(zhì)清潔能源基地。在流域內(nèi)開(kāi)展風(fēng)光水互補(bǔ)建設(shè)，能夠通過(guò)水電開(kāi)發(fā)，促進(jìn)流域內(nèi)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電快速推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)清潔能源統(tǒng)籌發(fā)展，確保把四川建設(shè)成為國(guó)家重要的優(yōu)質(zhì)清潔能源基地。

(2)區(qū)域風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)能夠充分利用水電的調(diào)節(jié)性能，為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電開(kāi)發(fā)創(chuàng)造良好的消納條件。目前，一方面由于風(fēng)光資源本身的不穩(wěn)定性，造成電網(wǎng)消納能力有限；另一方面由于風(fēng)光項(xiàng)目周邊送出能力和通道走廊有限，金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)能和太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，建設(shè)成本較高，項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。實(shí)施風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)，能夠充分利用水電站調(diào)節(jié)性能，減少風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電不穩(wěn)定出力對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，同時(shí)也能增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電不穩(wěn)定出力的消納能力，為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電建設(shè)提供良好的消納條件[5]。

(3)區(qū)域風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)能夠充分利用水電送出通道，為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)?；_(kāi)發(fā)提供強(qiáng)大的送出通道。截至目前，金沙江下游(四川側(cè))已投產(chǎn)總裝機(jī)規(guī)模1 000萬(wàn)kW，全部通過(guò)±800 kV特高壓直流通道送電華東，目前，正在規(guī)劃新建兩條特高壓通道送電華東和華南，水電送出通道容量極大，送出能力較強(qiáng)[6]。結(jié)合區(qū)域內(nèi)以水電為主的電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)施風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)打捆送出，不僅不會(huì)帶來(lái)流域內(nèi)水電新增棄水，而且為風(fēng)光資源規(guī)?；_(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的送出通道。

4.3 風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)突出優(yōu)勢(shì)

(1)借助風(fēng)光水出力特有的互補(bǔ)性，提高風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的電能品質(zhì)，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的能力。金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電出力具有隨機(jī)波動(dòng)性，短時(shí)間內(nèi)發(fā)電出力變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的有功功率平衡及頻率穩(wěn)定產(chǎn)生影響。為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要電網(wǎng)配備充足的快速反應(yīng)容量。流域干流水電站調(diào)節(jié)性能極好，水力發(fā)電啟停迅速、運(yùn)行靈活、跟蹤負(fù)荷能力強(qiáng)。通過(guò)監(jiān)控風(fēng)電、光電的出力變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水電站的水輪發(fā)電機(jī)開(kāi)度，以平抑風(fēng)電、光電出力變幅及瞬時(shí)變率，補(bǔ)充風(fēng)電、光電的出力，減少對(duì)電網(wǎng)頻率、無(wú)功電壓的影響，將隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)電、光電調(diào)整為平滑、安全、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電源，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的能力[7]。

(2)借助水電送出通道解決風(fēng)光資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)問(wèn)題，提高線路輸送效率，減少電網(wǎng)投資。一方面受技術(shù)水平限制，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的年等效利用小時(shí)相對(duì)較低，單獨(dú)新建送出通道的利用率往往不高；另一方面由于電網(wǎng)建設(shè)從規(guī)劃到建成的時(shí)間跨度往往較風(fēng)光項(xiàng)目建設(shè)周期長(zhǎng)，電網(wǎng)建設(shè)遠(yuǎn)滯后于新能源電源建設(shè)。因此，能夠充分利用區(qū)域已有和規(guī)劃的大規(guī)模水電送出通道[8]，這樣既解決了風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)?；_(kāi)發(fā)上網(wǎng)難的問(wèn)題，又提高了水電送出通道的利用率，減少新建送出系統(tǒng)投資[9]。

(3)借助風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)統(tǒng)籌規(guī)劃流域內(nèi)清潔能源開(kāi)發(fā)和土地利用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)綜合開(kāi)發(fā)。金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)能夠從促進(jìn)風(fēng)光水清潔能源持續(xù)綜合開(kāi)發(fā)的角度統(tǒng)籌規(guī)劃土地利用問(wèn)題，系統(tǒng)研究電站不同功能主體的用地方式，綜合分析風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的土地效益?？紤]到電站和地面動(dòng)植物的立體布局，在發(fā)展清潔能源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)土地利用的綜合開(kāi)發(fā)，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等一體化發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐拿撠氈赂弧?/p>

5 結(jié) 語(yǔ)

金沙江下游(四川側(cè))具有豐富風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能資源，風(fēng)、光、水三種清潔能源出力在年內(nèi)、日內(nèi)均有長(zhǎng)期穩(wěn)定的互補(bǔ)性，能夠利用出力互補(bǔ)性和水電站的調(diào)節(jié)性能實(shí)現(xiàn)三種電源的穩(wěn)定輸出，降低風(fēng)光電源消納對(duì)電網(wǎng)造成的不利影響；同時(shí)結(jié)合區(qū)域已有和規(guī)劃的強(qiáng)大的水電送出通道，實(shí)施風(fēng)、光、水打捆送出，既提高輸電線路利用效率，又為規(guī)模化開(kāi)發(fā)民族地區(qū)的清潔能源，帶動(dòng)這一地區(qū)脫貧致富提供支撐。因此，有必要建立金沙江下游(四川側(cè))風(fēng)光水互補(bǔ)開(kāi)發(fā)清潔能源示范基地，在目前全國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電“就近接入、就地消納”基礎(chǔ)上探索一種新型的、可再生能源開(kāi)發(fā)模式，對(duì)解決風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電送出和消納具有很好的試驗(yàn)示范意義，也能推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的具體實(shí)施和電力體制深化改革具體落實(shí)。

(說(shuō)明：本論文受中國(guó)電建集團(tuán)成都院科研項(xiàng)目《大型流域梯級(jí)電站風(fēng)光水互補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究》資助。)